(57)【要約】【課題】  燃料電池の起動時間あるいは停止時間の短縮が可能な燃料電池システム及び燃料電池スタックの冷却方法を提供する。【解決手段】  発電の基本単位となる単セルを複数個積層した燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に接続されて冷却水dを循環させる冷却水循環配管１３と、冷却水循環配管１３に設置された熱交換手段（ラジエータ１６）と、熱交換手段（ラジエータ１６）と燃料電池スタック２との間の冷却水循環配管１３に設置されて冷却水dを発泡させて冷却水dの熱容量を下げる気泡発生器１９と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電の基本単位となる単セルを複数個積層した燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに接続されて冷却水を循環させる冷却水循環配管と、
前記冷却水循環配管に設置された熱交換手段と、
前記熱交換手段と前記燃料電池スタックとの間の前記冷却水循環配管に設置されて冷却水を発泡させて冷却水の熱容量を下げる気泡発生器と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
さらに、前記冷却水循環配管を分岐させて接続された循環配管と、
前記冷却水循環配管と前記循環配管との分岐点に取り付けられた三方弁と、を備え、
前記気泡発生器は、前記循環配管に設置されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
さらに、前記燃料電池スタックに酸素ガスを含む空気を供給する空気供給手段の空気供給配管から分岐して接続されるとともに前記気泡発生器に連結された分岐配管と、
前記分岐配管に設置されたバルブと、を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記気泡発生器は、環境温度が設定値以下になり、燃料電池の停止準備運転中あるいは起動準備運転中に、前記分岐配管を介して導入される冷却水の発泡を行うことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記気泡発生器は、泡径を10μm以下とすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
さらに、前記冷却水循環配管に設置されて冷却水が大気と接触する構造を有する消泡器を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
さらに、前記消泡器に取り付けられた消泡促進器を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記消泡促進器は、攪拌羽根により径の大きい気泡を発生させて、径の大きい気泡と微細な気泡とを融合させて、冷却水中の気泡を除去することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記消泡促進器は、空気ジェットにより径の大きな気泡を発生させて、径の大きな気泡と微細な気泡とを融合させて、冷却水中の気泡を除去することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記消泡促進器は、加熱ヒータであり、前記加熱ヒータで冷却水を加熱して、冷却水の温度を上昇させて気泡を大きくし、冷却水中の気泡を除去することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
さらに、前記熱交換手段の上流側の冷却水循環配管に設置された冷却水回収タンクを備え、
前記消泡器と前記冷却水回収タンクとが一体化して構成されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池の通常運転時に、燃料電池スタック内のセル中に冷却水を循環させておき、
環境温度が規定温度よりも低下したときに、前記冷却水中に気泡を混入させて冷却水の熱容量を下げた状態として、前記燃料電池スタック内のセル中に前記冷却水を満たすことを特徴とする燃料電池スタックの冷却方法。
【請求項１３】
環境温度が規定温度よりも低下し、燃料電池の停止準備運転中あるいは燃料電池の起動準備運転中に前記冷却水中に気泡を混入させることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池スタックの冷却方法。
【請求項１４】
燃料電池の起動後に燃料電池スタックが規定温度よりも上昇したときに、前記冷却水中に混入された気泡を除去して冷却水の熱容量を上げた状態として、前記燃料電池スタック内のセル中に前記冷却水を満たすことを特徴とする請求項１２又は１３記載の燃料電池スタックの冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの冷却を行う冷却システムを備えた燃料電池システム及び燃料電池スタックの冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスを燃料として用いて水素ガスと酸素ガスとを反応させて発電する装置である。燃料電池は発電に伴い熱が発生するため、燃料電池を冷却する冷却システムが設置されている。
【０００３】
燃料電池の冷却システムは、基本的に、燃料電池スタックに接続された冷却水循環配管と、冷却水循環配管に設置された熱交換手段（例えば、ラジエータ）と、を備えている。冷却システムでは、燃料電池スタックから排水された冷却水が冷却水循環配管を循環し、熱交換手段により冷却水中の熱を放熱した後、冷却水を再度燃料電池スタック内に導入し、燃料電池スタックの温度を規定の作動温度に維持している。
【０００４】
しかしながら、環境温度が摂氏零度以下になると冷却水が凍結して、燃料電池スタックに損傷を与える恐れがあることから、冷却水の凍結を防止する技術が開発されている。そこで、燃料電池スタックに酸素ガスを供給する酸素供給源から開閉弁を介して冷却水循環配管に酸素ガスを圧送する抜取り用気体圧送手段を備えた燃料電池自動車が開示されている（特許文献１参照）。この燃料電池自動車では、燃料電池の作動停止時に、抜取り用気体圧送手段により冷却水循環配管に酸素ガスを圧送して冷却水循環配管内の冷却水の抜取りを行っており、これにより冷却水の凍結を防止している（特許文献１参照）。
【特許文献１】第３４０７９１４号特許
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、燃料電池の作動停止時に、冷却水循環配管に酸素ガスを圧送して冷却水を抜き取る作業が必要となるため、作動停止までの時間が長時間かかり、また、冷却水を収容する大きな冷却水回収タンクが必要となっていた。
【０００６】
また、燃料電池を起動する際にも、冷却水循環配管内に冷却水を再度導入するための処理が必要となることから、燃料電池の起動時間に長時間を要するという問題を有していた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、本発明の燃料電池システムは、発電の基本単位となる単セルを複数個積層した燃料電池スタックと、燃料電池スタックに接続されて冷却水を循環させる冷却水循環配管と、冷却水循環配管に設置された熱交換手段と、熱交換手段と燃料電池スタックとの間の冷却水循環配管に設置されて冷却水を発泡させて冷却水の熱容量を下げる気泡発生器と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
また、本発明の燃料電池スタックの冷却方法は、燃料電池の通常運転時に、燃料電池スタック内に冷却水を循環させておき、環境温度が規定温度よりも低下したときに、冷却水中に気泡を混入させて冷却水の熱容量を下げた状態として、燃料電池スタック内のセル中に冷却水を満たすことを要旨とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の起動時間あるいは停止時間を短縮することができる。
【００１０】
本発明の燃料電池スタックの冷却方法によれば、燃料電池の起動時間あるいは停止時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム及び燃料電池スタックの冷却方法を説明する。
【００１２】
本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１の構成を図１に示す。燃料電池システム１は、発電の基本単位となる単セルを複数積層した燃料電池スタック２を備え、燃料電池スタック２には、燃料となる水素ガスaを供給する水素ガス供給手段３と、酸素を含む空気bを供給する空気供給手段４とが接続される。燃料電池スタック２には排気ガス配管５が接続され、燃料電池スタック２で発電後に未反応の排ガスｃなどが排出される。さらに、燃料電池スタック１には、その内部の図示しない各単位セル間に冷却水である冷却水dを供給し、燃料電池スタック２の冷却を行う冷却システム６が接続される。
【００１３】
水素ガス供給手段３は、燃料電池スタック２に接続された水素ガス供給配管７と、水素ガス供給配管７に連結された図示しない水素ガスタンクと、を備えており、水素ガスタンクから水素ガス供給配管７を介して燃料電池スタック２内に水素ガスaが供給される。
【００１４】
空気供給手段４は、燃料電池スタック２に接続された空気循環配管８を備え、空気循環配管８には加湿器９が設置される。加湿器９には空気供給配管１０と空気排気管１１とが接続され、空気供給配管１０上にはコンプレッサ１２が設置され、外気を吸気している。吸気された酸素ガスを含む空気bは、加湿器９によって加湿された加湿空気b´が燃料電池スタック２内に導入される。
【００１５】
燃料電池の冷却システム６は、燃料電池スタック２に接続された冷却水循環配管１３を備え、冷却水循環配管１３には、燃料電池スタック２の後流側から順次、消泡器１４と冷却水回収タンク１５とが設置される。冷却水回収タンク１５の後流側には熱交換手段としてのラジエータ１６が配置され、ラジエータ１６後流側に循環ポンプ１７が設置される。循環ポンプ１７と燃料電池スタック２との間には、冷却水循環配管１３を分岐させた循環配管１８が接続され、循環配管１８に気泡発生器１９が設置される。冷却水循環配管１３と循環配管１８との分岐点に三方弁２０が取り付けられ、冷却水dを気泡発生器１９内に導入できる構成としている。さらに、気泡発生器１９には、空気供給手段４の空気供給配管１０を分岐させた分岐配管２１が接続され、分岐配管２１にはバルブ２２が取り付けられる。
【００１６】
気泡発生器１９は、例えば、導入される冷却水d中に圧縮空気bを混合し、圧縮空気bを混合した冷却水dの噴流を衝突板に向かい広がり角度60度程度のノズルに噴射させて、泡をせん断する機構を備える。圧縮空気bは、空気供給手段４の空気供給配管１０を分岐させた分岐配管２１を介して気泡発生器１９内に導入される。このため、気泡発生用のコンプレッサを別途設ける必要が無くなり、気泡発生器１９を簡略化することができる。また、分岐配管２１のバルブ２２を開閉して気泡発生器１９内への圧縮空気bの導入量を調整して、発泡を制御することができる。気泡発生器１９により生成する気泡の径は、10μm以下とすることが好ましい。気泡を10μm以下の小径にすると、冷却水d中に気泡が安定して長時間とどまるようになる。一方、冷却水dは、冷却水循環配管１３と循環配管１８との分岐点に取り付けた三方弁２０を開閉することにより、気泡発生器１９内に導入される冷却水dの流量を自在に変えることができる。
【００１７】
消泡器１４は、冷却水dが大気と接触する構造を有する。消泡器１４内に導入される冷却水dが大気に触れて、冷却水d中に含まれる気泡が除去される。なお、図１に示す燃料電池システム１では、消泡器１４を冷却水回収タンク１５の上流側に設置したが、この位置に限定されず、燃料電池スタック２後流側から循環ポンプ１７までの間に消泡器１４を設置すれば良い。また、消泡器１４を冷却水回収タンク１５と一体化して構成しても良く、両者を一体化すると省スペース化を図ることができる。さらに、図示しないが、消泡器１４には消泡促進器が取り付けられている。
【００１８】
消泡促進器は、大きな泡を発生させる機構を備えており、大きな泡により冷却水中の微細な気泡を除去するものである。例えば、攪拌羽根により大きな気泡を発生させても良く、また、圧縮機から消泡器１４内に圧縮空気を送り大きな泡を発生させても良い。さらに、消泡促進器として加熱ヒータを使用し、加熱ヒータにより冷却水の温度を上昇させて気泡の径を大きくし、さらに冷却水の粘度を下げて、冷却水中の微細な気泡を除去することができる。なお、消泡促進器に供給する電力は、燃料電池システムの起動時または停止時の余剰電力を使用すると良く、これにより余剰電力を有効に活用することができる。
【００１９】
上記燃料電池システム１では、以下に示す本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックの冷却方法により燃料電池スタック２の冷却を行う。
【００２０】
まず、燃料電池の通常運転時には、燃料電池スタック２から排水された高温の冷却水dは、冷却水循環配管１３を介してラジエータ１６を通過し、冷却水dの熱が放熱された後、循環ポンプ１７の駆動により燃料電池スタック２内に導入される。このため、熱容量が高い状態の冷却水aが、燃料電池スタック２内のセル中を循環する。
【００２１】
そして、環境温度が規定温度以下（例えば、摂氏零度以下）となり、燃料電池の停止準備運転をするときには、三方弁２０とバルブ２２を調整して、気泡発生器１９内に圧縮した空気bと冷却水dを導入し、冷却水d中に気泡を混入して、冷却水dの熱容量を下げた状態とする。この冷却水dを冷却水循環配管１３を介して燃料電池スタック２内に導入し、燃料電池スタック２内のセル中に満たして、燃料電池スタック２を停止する。
【００２２】
また、環境温度が規定温度以下（例えば、摂氏零度以下）であり、燃料電池の起動準備運転をするときには、停止準備運転中と同様に、冷却水d中に気泡を混入して熱容量を下げた状態とし、この冷却水dを燃料電池スタック２内のセル中に満たしておく。
【００２３】
その後、燃料電池を起動して、燃料電池スタック２の温度が規定温度以上（例えば、作動温度以上）になったときに、消泡器１４及び消泡促進器によって冷却水d中の気泡を除去し、冷却水dの熱容量を大きくした状態とする。そして、熱容量の大きい冷却水dは、ラジエータ１６を通過して放熱された後、燃料電池スタック２内に導入されて、燃料電池スタック２の冷却をする。
【００２４】
従来、燃料電池の停止時に冷却水を抜取り、また、燃料電池の起動後に冷却水を再度導入する処理が必要であったが、本実施の形態によれば、気泡発生器１９を設置して冷却水d中に気泡を混入し、冷却水dの実質熱容量を小さくして燃料電池スタック２内のセル間に満たすことにより、燃料電池スタック２の熱容量を小さくしている。このため、冷却水の抜取り処理等が不要となり、燃料電池の定格運転までの起動時間あるいは通常停止時の停止時間を短縮することができる。
【００２５】
また、本実施の形態によれば、燃料電池の起動後、燃料電池スタック２の温度が規定温度以上になったときに、消泡器１４により冷却水d中に含まれる気泡を除去して冷却水dの熱容量を高くし、熱容量の高い冷却水dを燃料電池スタック２内に導入したため、冷却性能を高めることができる。
【００２６】
さらに、本実施の形態によれば、消泡器１４に消泡促進器を取り付けて、燃料電池システム１の起動時または停止時の余剰電力により消泡促進器を駆動したため、燃料電池の定格運転までの起動時間あるいは停止時間をさらに短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１…燃料電池システム，
２…燃料電池スタック，
３…水素ガス供給手段,
４…空気供給手段,
５…排気ガス配管,
６…冷却システム,
７…水素ガス供給配管,
８…空気循環配管,
９…加湿器,
１０…空気供給配管,
１１…空気排気管,
１２…コンプレッサ,
１３…冷却水循環配管,
１４…消泡器,
１５…冷却水回収タンク,
１６…ラジエータ,
１７…循環ポンプ,
１８…循環配管,
１９…気泡発生器,
２０…三方弁,
２１…分岐配管,
２２…バルブ,
a…水素ガス,
b…酸素ガスを含む空気,
c…排ガス,
d…冷却水,
【図１】
2006286483.tif 000003